一种具有均气背压结构的燃料电池多堆系统及其控制方法

本发明属于燃料电池，更具体地，涉及一种具有均气背压结构的燃料电池多堆系统及其控制方法。

背景技术：

1、燃料电池多堆系统适用于大功率输出情景，系统体积大、反应气和冷却介质流量大、分配不均匀性加剧；需求侧负荷变化信号流与供给侧能量流协同复杂，加剧气体分配的不均匀性。现有燃料电池多堆系统通过并联管路与多个电堆入口直接相连，多个电堆出口气体汇集后排出系统，容易导致末端电堆发生缺气和水淹。因此，对燃料电池多堆系统的均气排水设计有助于提升系统寿命和输出稳定性。燃料电池系统一般通过在电堆出口添加背压阀保障运行压力，提升输出特性。

2、cn202210992389.7公开了一种多电堆燃料电池均匀供气系统，通过空气分流器保障进气均一性，多个电堆的阴极出口均与水气分离水箱的入口相连，水气分离水箱的气体出口与排气管相连，但其未说明分流器结构设计以及如何通过分流器保障各电堆进气气压完全一致，且在负荷动态变化时响应速度慢，极易出现瞬时燃料饥饿情况。cn201810874914.9公开了一种具有气液分离功能的燃料电池背压调节装置,用在氢氧或氢空燃料电池性能测试中实现电池的背压调节,包括单向阀、压力表、背压阀、集水罐、水位显示管、泄水阀门及管路等，实现了由燃料电池中排出的未反应气体与液态水滴的分离和分别排放，但其存在结构复杂、未反应气体排放浪费等问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有均气背压结构的燃料电池多堆系统及其控制方法，以解决现有燃料电池多堆系统背压低、输出电压低以及变载时的动态响应能力弱的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种具有均气背压结构的燃料电池多堆系统，包括氢气气源、电堆系统、均气背压罐和气液分离器，其中：

3、所述氢气气源用于将氢气分别输入所述多堆系统和所述均气背压罐中；所述多堆系统的出口端设置有常闭脉冲排气阀，所述常闭脉冲排气阀能进行脉冲排气，使所述多堆系统内部汇集的杂质气进入所述气液分离器中进行气液分离；所述气液分离器设有第一出口，且所述第一出口处设有第二常闭电磁阀，其用于将气液分离后的杂质气和液体水排出到外界；其用于将气液分离后的杂质气和液体水排出到外界；当负载电流变化，且所述氢气气源中的氢气流量滞后，还未到达所述多堆系统中的末端时，所述均气背压罐中的氢气在压差作用下能进入所述多堆系统，为所述多堆系统提供反应气。

4、进一步的，所述多堆系统至少包括两个并联的电堆，且每个电堆与所述氢气气源之间均设置有常开电磁阀，所述常开电磁阀用于控制氢气通断；每个电堆出口处均设置有所述常闭脉冲排气阀，其用于使所述多堆系统脉冲排气。

5、进一步的，所述多堆系统还包括外部控制器，所述气液分离器上设置有第一压力传感器，用于记录并传输其内部的压力信号至所述外部控制器；所述均气背压罐上设置有第二压力传感器，用于记录并传输其内部的压力信号至所述外部控制器；当所述气液分离器内的压力大于所述均气背压罐内的预设倍数的压力时，所述外部控制器用于控制所述第二常闭电磁阀开启，以将所述多堆系统的杂质气和液态水排出到外界。

6、更进一步的，所述气液分离器上设置有液位传感器，用于记录并传输其内部的液位高度至外部控制器，当所述气液分离器内的液位高度大于预设最高液位高度时，所述外部控制器能控制所述第二常闭电磁阀开启，以将分离得到的杂质气体和液态水排出到外界。

7、进一步的，所述多堆系统上设置有电压巡检仪，用于读取并输出所述多堆系统中各电堆的电压信号至所述外部控制器，所述外部控制器基于所述电压信号判断并控制所述常闭脉冲排气阀的启闭。

8、进一步的，所述气液分离器上还设有第二出口，所述第二出口经由第一常闭电磁阀与所述均气背压罐连接，所述多堆系统启停时，打开所述第一常闭电磁阀能对所述多堆系统进行吹扫。

9、根据本发明的另一个方面，还公开一种如前任意所述的一种具有均气背压结构的燃料电池多堆系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

10、s1实时获取所述多堆系统运行时气液分离器的液位高度、电堆系统运行时间、气液分离器的压力、均气背压罐的压力、第二常闭电磁阀的排气时间和电堆系统中每个电堆的电压信号；

11、s2判断任意一个所述电压信号是否小于预设的最低单片电压：若是，则执行下一步；若否，则重新进行步骤s2的判断；

12、s3打开所述电压信号小于所述最低单片电压的电堆对应的脉冲排气阀，持续排气第一预设时间后关闭；

13、s4判断所述液位高度是否大于等于预设的最高液位高度：若是，则执行下一步；若否，则重新进行步骤s4的判断；

14、或，判断所述气液分离器的压力是否大于等于预设倍数的均气背压罐的压力：若是，则执行下一步；若否，则重新进行步骤s4的判断；

15、s5打开第二常闭电磁阀排气，并记录其排气时间，当所述排气时间大于等于预设尾气排气时间时，关闭所述第二常闭电磁阀；

16、s6判断所述运行时间是否大于等于预设运行时间：若是，则控制所述多堆系统停止运行；若否，则重复步骤s1-s6，直至所述多堆系统停止运行。

17、进一步的，步骤s5中，所述预设倍数为0.5倍-0.8倍。

18、进一步的，所述最低单片电压为0.3v；所述最高液位高度优选为所述气液分离器内的高度处。

19、进一步的，所述第一预设时间优选1s，尾气排气时间优选2s-4s。。

20、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，主要具备以下优点：

21、1.本发明的燃料电池多堆系统的均气背压结构相比于现有的燃料电池多堆系统的改进之处是：通过在进气末端添加均气背压罐，在不增加进气源的基础上保障了多堆系统末端电堆的气体压力，当负载电流变化时，氢气气源输出的气体短时间输送不到末端电堆中，但是电堆内的反应还在消耗气体，此时均气背压罐中储存的氢气气体在压差作用下进入末端电堆，为末端电堆额外提供反应气，进而提升了燃料电池多堆系统在负载电流变化时的动态响应能力；因此，本发明能在不增加寄生功率的情况下有效提升输出背压，进而提高电堆多堆系统间的一致性以及系统的动态响应能力。

22、2.本发明将均气背压罐与气液分离器之间通过设置常闭电磁阀来控制通断，以实现燃料电池多堆系统启停时，均气背压罐和整个燃料电池多堆系统的完全吹扫，保障燃料电池多堆系统的安全性，且本发明结构简单、控制方法简便、自动化程度高。

23、3.本发明通过设定最高排水压力和比较均气背压罐与气液分离器之间的压差，来分别控制气液分离器出口处的常闭电磁阀对外排气除水，足够的压差能提供足够的脉冲排气动力，进而保障脉冲排气和除水效果，提升系统燃料利用率。

24、4.本发明的燃料电池多堆系统的均气背压结构的控制方法中：通过设定最低单片电压，来保障电堆间歇性排出杂质水气，从而保障燃料电池多堆系统的输出性能和提高电池寿命。

技术特征：

1.一种具有均气背压结构的燃料电池多堆系统，其特征在于，包括氢气气源(1)、电堆系统、均气背压罐(6)和气液分离器(15)，其中：

2.如权利要求1所述的一种具有均气背压结构的燃料电池多堆系统，其特征在于，所述多堆系统至少包括两个并联的电堆，且每个电堆与所述氢气气源(1)之间均设置有常开电磁阀，所述常开电磁阀用于控制氢气通断；优选的，每个电堆出口处均设置有所述常闭脉冲排气阀，用于分别控制每个电堆脉冲排气。

3.如权利要求1所述的一种具有均气背压结构的燃料电池多堆系统，其特征在于，所述多堆系统还包括外部控制器，所述气液分离器(15)上设置有第一压力传感器(7)，用于记录并传输其内部的压力信号至所述外部控制器；所述均气背压罐(6)上设置有第二压力传感器(13)，用于记录并传输其内部的压力信号至所述外部控制器；当所述气液分离器(15)内的压力大于所述均气背压罐(6)内的预设倍数的压力时，所述外部控制器用于控制所述第二常闭电磁阀(16)开启，以将所述多堆系统的杂质气和液态水排出到外界。

4.如权利要求3所述的一种具有均气背压结构的燃料电池多堆系统，其特征在于，所述气液分离器(15)上设置有液位传感器(14)，用于记录并传输其内部的液位高度至外部控制器，当所述气液分离器(15)内的液位高度大于预设最高液位高度时，所述外部控制器能控制所述第二常闭电磁阀(16)开启，以将分离得到的杂质气体和液态水排出到外界。

5.如权利要求3所述的一种具有均气背压结构的燃料电池多堆系统，其特征在于，所述多堆系统上设置有电压巡检仪，用于读取并输出所述多堆系统中各电堆的电压信号至所述外部控制器，所述外部控制器基于所述电压信号判断并控制所述常闭脉冲排气阀的启闭。

6.如权利要求1所述的一种具有均气背压结构的燃料电池多堆系统，其特征在于，所述气液分离器(15)上还设有第二出口，所述第二出口经由第一常闭电磁阀(8)与所述均气背压罐(6)连接，所述多堆系统启停时，打开所述第一常闭电磁阀(8)能对所述多堆系统进行吹扫。

7.一种如权利要求1-6任意所述的一种具有均气背压结构的燃料电池多堆系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的一种具有均气背压结构的燃料电池多堆系统的控制方法，其特征在于，步骤s5中，所述预设倍数为0.5倍-0.8倍。

9.如权利要求7所述的一种具有均气背压结构的燃料电池多堆系统的控制方法，其特征在于，所述最低单片电压为0.3v；所述最高液位高度优选为所述气液分离器内的高度处。

10.如权利要求7所述的一种具有均气背压结构的燃料电池多堆系统的控制方法，其特征在于，所述第一预设时间优选1s，尾气排气时间优选2s-4s。

技术总结
本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种具有均气背压结构的燃料电池多堆系统及其控制方法，氢气气源用于将氢气分别输入多堆系统和均气背压罐中；多堆系统的出口端设置有常闭脉冲排气阀，常闭脉冲排气阀能进行脉冲排气，使多堆系统内部汇集的杂质气进入气液分离器中进行气液分离；气液分离器设有第一出口，且第一出口处设有第二常闭电磁阀，其用于将气液分离后的杂质气和液体水排出到外界；当负载电流变化，且氢气气源中的氢气流量变化滞后，仍未到达多堆系统末端时，均气背压罐中氢气在压差作用下进入多堆系统，为多堆系统提供反应气。本发明能在不增加寄生功率的情况下有效提升输出背压，提高多堆系统间的一致性以及系统的动态响应能力。

技术研发人员：涂正凯,范丽欣
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13